UNIVERSITE MENTOURI DE CONSTANTINE
DEPARTEMENT DE MATHEMATIQUE DE LA FACULTE DES SCIENCES
N°: D'ordre :……….. Série :……….
M
EMOIRE
Présenté
Par Tayeb H
AMAIZIA
POUR L
'
OBTENTION DU DIPLOMEDE MAGISTER EN MATHEMATIQUE
OPTION
:
TOPOLOGIE ALGEBRIQUESUJET :
GROUPE DE TORSION DE COURBE ELLIPTIQUE SUR
UNE EXTENSION QUADRATIQUE DU CORPS
∞
SOUTENU LE : ……../……./……. DEVANT LE JURY
! PRESIDENT : MrRAHMANI Fouad Lazhar, Maitre de Conférence
U. Mentouri de Constantine
! RAPPORTEUR :MrZITOUNI Mohamed, Professeur USTHB d'Alger.
! EXAMINATEURS: Mr BENKAFADAR Mohamed Naceredine, Professeur
U. Mentouri Constantine
MelleBOUGHABA Soraya, Maitre de Conférence
Remerciements
Tout d'abord je voudrais exprimer ma plus profonde reconnaissance à mon directeur de thèse, Mohamed ZITOUNI, pour son soutien, pour ses conseils
chaleureux et pour toutes les mathématiques qu'il m'a apprises.
Ensuite je voudrais remercier les membres de mon jury d’avoir accepté d’évaluer mon travail, de s’y s’être intéresse, pour leur remarques, et
encouragements.
Je remercie enfin toutes les personnes qui ont contribué d’une manière ou d’une autre à me permettre de faire cette thèse, et parmi eux ma famille.
TABLE DES MATIERES
CHAPITRE I : VARIETES ALGEBRIQUES ABELIENNES ……….………01
1. Variétés affines ……….………..01
2. Variétés projectives ……….…….………..04
3. Variétés abéliennes ……….…………06
4. Courbes algébriques ………06
CHAPITRE II: ARITHMETIQUES DES COURBES ELLIPTIQUES.…………...…………..09
1. Equation de Weierstrass ……….….09
2. Invariants des courbes irréductibles ………10
3. Discriminants……… ………..12
4. Résultants de 2 polynômes ………..14
5. Cubiques irréductibles singulières ………16
6. Courbes elliptiques ………...19
7. Classification des cubiques irréductibles avec ∆(E) et c4(E) ………..20
CHAPITRE III: GROUPE DE MORDELL-WEIL D'UNE COURBE ELLIPTIQUE ………..25
1. Structure de groupe abélien sur l'ensemble E (K) ………25
2. Coordonnées de –P et de P1+P2 ………...26
3. Point de E d'ordre fini ………..27
4. Finitude du groupe quotient E(K)/mE(K) ………...31
5. Hauteurs sur une courbe elliptique ………...32
6. Valuations d'un corps et réduction de courbes elliptiques ………...36
CHAPITRE IV: TORSION DE COURBE ELLIPTIQUE ………..39
1. Corps de nombres algébriques quadratiques………..39
2. Torsion du groupe de Mordell-Weil E(K) ……….…40
3. Isomorphismes de courbes elliptiques ………..43
4. Groupe de torsion sur un corps quadratique ……….43
5. Algorithme de calcul……….45
I
NTRODUCTION
Ce mémoire traite des variétés algébriques, des cubiques de Weierstrass, des courbes elliptiques.
Le chapitre I, est une description des variétés et le lien avec les courbes elliptiques. Dans le chapitre II, j'ai exposé quelques points de l'arithmétique des courbes elliptiques; j'ai omis les isogénies, les automorphismes, les tores complexes.
Dans le chapitre III, j'ai établi la loi de groupe de Mordell-Weil avec la règle géométrique de 3 points colinéaires de la courbe elliptique E et le point à l'infini OE. J'ai
calculé les formules des coordonnées du symétrique –P de la somme P1+P2 et du point 2P,
j'ai introduit une fonction hauteur h : E (K)→
♣
pour obtenu le théorème de Mordell-Weil. Le groupe E (K) est de type fini.Dans le dernier chapitre j'ai décrit la structure d'un corps quadratique. Enfin j'ai traité les groupes de torsion T(E) (K) en utilisant plusieurs méthodes.
Deux exemples de calcul algorithmique du groupe T(E)(Q) de torsion terminent ce mémoire.
C
HAPITREI
:
VARIETES ALGEBRIQUES ABELIENNES ET COURBES ALGEBRIQUESLes variétés algébriques sont du domaine de la géométrie algébrique.
Elles sont traitées dans des nombreux ouvrages comme [3 ], [4 ], [5 ], [7 ], [14-2 ][15 ], [19 ]. Pour les étudier, nous nous sommes inspirés principalement de l'ouvrage de
Hartshorne.
Puisque nous n'étudions que des variétés algébriques, dans notre thèse nous omettrons l'adjectif " algébriques " dans les variétés affines, variétés projectives, variétés abéliennes, variétés de groupes, variétés normales, variétés non singulières, variété de Nagata, variété jacobienne, variété de Picard, etc…
1-VARIETESAFFINES
Les variétés sont construites sur des espaces affines avec la topologie de Zariski.
DEFINITION 1:
Un espace affine, sur un corps algébriquement clos K, est l'ensemble des n-uples a = (a1, a2,…, an) d'éléments ai du corps K.
n
(K) = {a = (a1, a2,..., an) où a1, a2,...,an dans K}………(1)
On utilise le langage géométrique pour désigner des éléments des espaces affines. Le n-uple a est un point de l'espace affines n (K) de coordonnées a1,…,an.
DEFINITION 2:
Un corps algébriquement clos est un corps commutatif K tel que tout Polynôme f(x) de l'anneaux K[x], de degré d, admet d racines dans le corps.
Le polynôme f(x) = x2+ 1 n'admet pas de racines réelles; donc il est irréductible dans
l'anneau ♣[x]. Le corps ♣ n'est donc pas algébriquement clos.
Le polynôme f(x) = x2+ 1 admet 2 racines complexes ± i, il est donc décomposable dans l'anneau C[x] sous forme f(x) =(x+i) (x-i) donc C algébriquement clos.
Un espace affine n (K) est muni de 2 lois semblables aux lois d'un espace vectoriel.
Une addition n (K) × n (K) → n (K)
Avec le point 0= (0,..,0) de coordonnées nulle,
Une multiplication externe: K × n (K) → n (K)
(λ, a) → λ.a = (λa1, λa2,…,λan) …………(3)
L'espace affine n (K) est associe à l'anneau de polynômes à n indéterminées Bn = K [x1, x2,…,xn] ………(4)
L'espace affine n (K) possède un invariant, une dimension, comme l'espace vectoriel. Il est de dimension n.
Tout polynôme f(x) ∈C[x] possède des zéros.
Tout polynôme f(x)∈K[x1,x2,…,xn] = Bn possède des zéros.
DEFINITION 3 :
Un ensemble algébrique dans un espace affine n (K) est un ensemble X de zéros d'une famille de polynômes fi∈Bn.
X= { P ∈ n
(K) ; f1(P)= …= fd(P)= 0} ………(5)
PROPOSITION 1 :
Soient 2 familles de polynômes F1et F2 dans B et 2 ensembles algébriques X1 et X2.
1) la réunion de 2 ensembles algébrique X1∪X2 est un ensemble algébrique.
2) L'intersection d'une famille d'ensembles algébriques est un ensemble algébrique. 3) L'ensemble vide et l'espace affine n (K) sont des ensembles algébriques.
4) L'inclusion F1⊂ F2 de polynômes implique l'inclusion des ensembles algébriques X (F1) ⊃X (F2).
Preuve :
L'ensemble algébrique X (f ⊂Bn) pour f = 0x1+ …+ 0xn est l'espace affine n (K)
L'ensemble algébrique X (f ⊂Bn) pour f = 1 est l'ensemble vide.
Dans un anneau B, il y a des sous ensembles particuliers : Les sous anneaux et les idéaux.
La proposition 1 relative aux ensembles algébriques permet de définir une topologie sur l'espace affine n (K) : la topologie de Zariski.
DEFINITION 4 :
Sur un espace affine n (K), la topologie de Zariski est déterminée par les ensembles algébriques comme des fermés et leurs complémentaires comme des ouverts.
Cette topologie satisfait les axiomes d'une topologie. Elle n'est pas de Hausdorf.
L'ensemble vide et l'espace affine n (K) sont fermés et ouverts à la fois.
L'espace affine n (K) muni de la topologie de Zariski devient un espace topologique.
DEFINITION 5 :
Une variété affine est un sous ensemble Y d'un espace affine n (K) Irréductible et fermé.
Donc la réunion Y1 ∪Y2 de 2 variétés affines n'est pas une variété affine
EXEMPLES
1- un polynôme f ∈K[x, y] irréductible une variété affine dans l'espace 2 (K). c'est une courbe affine X (f).
2- dans un espace affine 3 (K), la variété affine est une surface.
3- Dans un espace n (K), pour n > 3, la variété affine est une hypersurfece.
Une variété affine Y (F), F = famille de polynômes fi∈ B, admet des invariant qui sont la
dimension et l'idéal.
DEFINITION 6 :
L'idéal d'une variété affine Y(F), F ∈B=K[x1,…,xn], est l'ensemble des polynômes g ∈B:
I(Y)= {g∈ K[x1,…,xn], g(P) = 0 pour tout point P de Y}……….(6)
Une variété affine Y possèdes des sous ensembles particuliers.
DEFINITION 7 :
Soit une variété affine Y (F)⊂ Y.
1) Une sous variété de Y est une partie fermée de la variété. 2) Une variété quasi affine est une partie ouverte de la variété.
2-VARIETES PROJECTIVES
Sur une variété affine n+1 (K), de dimension n+1, considérons la relation binaire R déterminer par la condition :
a= (a1…, an+ 1) R b= (b1… bn+ 1) si et seulement si a=λb pour λ≠ 0.
Cette relation est réflexive, symétrique et transitive, c'est donc une relation d'équivalence sur l'espace affine n+ 1 (K)
DEFINITION 8 :
L'espace projectif P n
(K)=Pn est l'espace quotient de l'espace affine n+ 1* par la relation d'équivalence R :
P n
(K)= n+ 1 (K)/ R = ensemble des classes modulo R
La topologie de Zariski s'applique sur l'espace affine n+ 1 (K) donc aussi sur l'espace
projectif P n (K).
DEFINITION 9 :
Une variété projective est une partie de l'espace projectif P n (K),pour n≥1 Irréductible et fermé.
Un point P d'un espace projectif P n (K) admet (n+1) coordonnées P= (a1…, an+ 1)∈ P n (K) = n+ 1 (K)/ R.
Les polynômes associes à une espace projectif P n (K) forment l'anneau des polynomes
homogènes de degré d ≥ 0 :
Bn = [x1,…,xn+ 1]
L'ensemble des Zéros d'un polynôme homogène f∈ Bn est un hyperplan
f=λ1x1
+λ2x2+ …+λn+ 1xn+ 1= 0
DEFINITION 10 :
Soit une variété projectif X ⊂ P n (K).
1- une sous variété projective est une partie fermée d'une variété projective.
2- Une variété quasi projective est une partie ouverte d'une variété projective.
EXEMPLES :
1) dans l'espace projectif P 2, l'ensemble des zéros du polynôme homogène de degré 3 f(x, y,
2) L'ensemble des zéros du polynôme g(x, y, z) = y2z + 2xyz -x3 - 3x2z + 5z3 est une
variété projective.
Sa dimension est égale à : Dimension de P 2 – nombre de relations = 2-1=1. Etablissons les formules de passage P n → n
Pour n = 2, par exemple, un point P a pour coordonnées P = (x, y, z) ∈P 2.
L'application P 2 → 2 est définie par sa valeur ( x, y, z)→ ( x, y, 1)
Le polynôme projectif f(x, y, z) = x3 - 2xy2+ 3yz2-4z3∈ P2 est Transformé en polynôme affine.
f(x, y, z) = x3 - 2xy2+ 3y -4= g(x, y) ∈a2 Le passage 2→ P 2 s'obtient par 2 applications Division par z : (x, y) → z y z x ,
Un polynôme f(x, y) = 4x3 + 3x2y – 2xy + 5 y2- 6. Devient par division par z
La fraction rationnelle. f z y z x , =4
z
x
3+3
z
y
x
3 2 -2
z
y
x
2 +
z
y
2 2 -6 L'application f z y z x , →z3f(x, y) = g(x, y, z).Transforme f en polynôme homogène.
3-VARIETES ABELIENNES
Une variété peut être munie d'une structure de groupe.
DEFINITION 11.
Une variété de groupe est une variété Y munie d'une loi de groupe : Y×Y→Y; (a, b) → a+ b
Et d'une application interne Y → Y; a → a-1
Lorsque cette loi de groupe est un groupe abélien, alors la variété est abélienne.
DEFINITION 12 :
Une variété abélienne est une variété projective avec une loi de groupe et une application inverse.
Cette variété abélienne est de dimension n ≥1.
Certaines variétés abéliennes de dimension 1 sont des courbes elliptiques. La structure de groupe abélien sera décrite dans le chapitre 3.
4-COURBES ALGEBRIQUES PLANES.
Une courbe algébrique plane est l'ensemble des points P = (x, y) qui satisfait une équation algébrique f(x, y) ∈R [x, y] dans le plan affine 2, le polynôme f(x, y), de degré n,
est somme de polynômes fd (x, y) de degré d………. (1)
Les polynômes homogènes f0(x, y) sont les constantes.
Les polynômes affines de degré n =1 sont de la forme
f(x, y) = r1 x + r2 y + r3; ………(2)
f(x, y) = 0 est l'équation d'une droite.
Pour n = 2, f(x, y)= = r1 x2 + r2x y + r3 y2+ r4x + r5y + r6.= 0……….(3)
Est l'équation d'une cercle ou d'une conique lorsque le polynôme est irréductible. Lorsqu'il est réductible, la courbe dégénère en un produit de 2 droites;
f(x, y)= ( r1 x + r2 y + r3 )(r4x + r5y + r6); ……….(4)
Les courbes de degré n =3 sont des cubiques, elles sont classées en cubiques irréductibles d'équation
f(x, y)= r1 x3 + r2x2 y + r3 xy2+ r4y3 + r5x2 + r6xy + r7y2+ r8x+ r9y+ r10= 0;…(5)
a- f(x, y) = r1 x2 + r2x y + r3 y2+ r4x + r5y + r6) ( r7x+ r8y+ r9)= 0; ………(6)
Produit d'une conique par une droite.
b- f(x, y)= (r1 x + r2 y + r3) (r4x + r5y + r6) (r7x+ r8y+ r9)= 0 ; ……… (7)
Produit de trois droites.
Les courbes algébriques planes sont des quartiques pour n = 4, des quantiques pour n=5, des sextiques pour n = 6.
Nous intéressons aux cubiques irréductibles. Elles sont classifiées par l'invariant genre arithmétique.
DEFINITION 13:
Le genre arithmétique d'une cubique irréductible E est l'entier g(E) non négatif égal à :
g(E) =
2 1
(n-1)(n-2)-s;………(8)
Avec n degré de la cubique = 3.
Et s = nombre de points singuliers de la cubique E.
Dans la théorie des points d'une courbe plane, il y a des points simples, des points doubles, des points multiples d'ordre 3.
Un point simple P satisfait: f(P) = 0 et f'(P) = 0. Un point singulier S satisfait: f(S) = f'(S) = 0. Donc une cubique admet 0 ou un point singulier.
Il en résulte la classification des cubiques irréductibles en 2 classes:
La classe des cubiques irréductibles non singulières E; leur genre est égal à g(E) = 1. La classe des cubiques singulières E; leur genre est égal à g(E) =0.
Cette classification implique une structure des courbes elliptiques.
DEFINITION 14:
Une courbe elliptique est une cubique E irréductible non singulière, d'équation de Weierstrass
E: y2 + a1 x y + a3 y = x3+ a2x2 + a4 x + a6 ∈K[x, y]………... (9) K est un corps commutatif global, local ou fini.
Les 5 coefficients a1, a2, a3, a4 et a6 sont des éléments du corps K.
Les 2 variables x et y sont des racines de l'équation algébrique de Weierstrass, donc des éléments d'une clôture algébrique Kalg du corps K.
Les corps globaux sont des corps primitif ∞ des nombres rationnels et ses extensions algébriques. Ils sont de caractéristique 0.
Les corps locaux sont des corps infinis de caractéristique p>0.
Les corps finis sont des corps caractéristique p>0; il y a les corps finis Fp, p premier,
et les corps finis Fq à q = pn éléments.
Cela implique l'influence du corps de base K sur les propriétés de la courbe elliptique E/K.
Signalons que l'équation de Weierstrass affine peut être transformée en équation projective dans le plan projectif P2
(K). EXEMPLE :
Equation de Weierstrass d'une cubique dans l'anneau F3.
C
HAPITREII.
A
RITHMETIQUE DES COURBES ELLIPTIQUES.
Dans ce chapitre nous étudions des transformations d'équations de Weierstrass, des relations entre discriminants de cubique et de polynômes et une première classification des cubiques de weierstrass.
1- EQUATION DE WEIERSTRASS.
Par définition, une équation de Weierstrass d'une cubique plane irréductible, dans le plan affine, est un polynôme f(x, y).
E: y2 + a1 x y + a3 y = x3+ a2x2 + a4 x + a6 ∈K[x, y]………... (1)
Les monômes en xy et en y sont éliminés par le changement de variables:
x = X, y =
2 1
(Y - a1X -a3), pour carac(K)≠2; ………(2)
Avec le calcul nous obtenons l'équation de Weierstrass:
E1:Y2 = 4X3 + b2 X2 + 2b4 X + b6∈K[X, Y] ………..(2-1)
Les 3 coefficients b2i sont des polynômes " homogènes de degré 2i "
Dans l'anneau ♦ [a1, a2, a3, a4, a6] :
b2 = a12+ 4a2 ; b4= a1a3+ 2a4 ; b6 = a32+ 4 a6 ; ………(2-2)
Nous éliminons le monôme en x2 et le coefficient 4 dans (2-1) avec le changement de variables;
X = (x-3b2)/36 ; Y= y/108, pour carac(K) ≠2,3 …………..(3)
Nous obtenons l'équation de Weierstrass:
E2: y2 = x3 – 27 c4 x – 54 c6∈K [x, y] ……….(3-1)
Les 2 invariants c2i sont des polynômes " homogènes de degré 2i "
Dans l'anneau ♦[b2, b4, b6]:
Dans la littérature mathématique, il existe d'autres modèles d'équations de Weierstrass de courbes elliptiques.
Le modèle de Legendre :
C1 : y2 = x(x-1) (x - t) ∈K[x, y]; avec t≠0 et 1;………….(4)
Le modèle de Deuring
C2 : y2+ t xy+ y = x3∈K[x, y], avec t3≠3;………. (4-1)
Le modèle de tate:
C3 : y2+ xy= x3 + ax+ b∈C[x, y] ;………(4-2)
Où les coefficients a et b sont des séries formelles en q = exp(2iπz)
a = -5
∑
( )
≥ − − 1 n qn qn n3 1 1 ………(4-3) b=∑
( )
−
≥ − + − 1 1 1 5 7 12 1 5 3 n qn n n qn ………. (4-4)Les résultats sont pris dans [17-1]
Dans [18], nous avons relevé l'exemple de la courbe de Fermat :
u3 + v3 = w 3 ∈ K [u, v], carac (K) ≠2,3……… (5)
(5) est transformé par le changement de variables.
x= v u w + 3 , y= 2 1 2 9 + + − v u v u ……….(5-1) En l'équation de Weierstrass: C4 : y2 – y = x3 – 7.
Les coefficients b2i et c2i permet de définir des invariants des cubiques irréductibles.
2- INVARIANTS DES CUBIQUES IRREDUCTIBLES
Une courbe elliptique possède plusieurs invariants: un discriminants, un invariant modulaire, un invariant différentiel, un conducteur, un régulateur, une série de Dirichlet-Hasse.
DEFINITION 1:
Le discriminant d'une courbe elliptique E est un polynôme " homogène de degré 12 "
de l'anneau ♦ [b2, b4, b6, b8]:
∆(E) = 9b2 b4 b6 – 8 b43 – 27 b62 – b22b8, pour carac(K)≠2, Où l'on a posé 4b8= b2b4 – b42
;
1) cubique d'équation de Weierstrass
E1 : y2= x3 – 27 c4x – 54 c6 ∈K[x, y], pour carac(K)≠2,3
Alors
( )
1728 c c E 2 6 3 4− = ∆ 2) équation de Legendre E2 : y2= = x(x-1) (x - t) ∈K[x, y]; avec t≠0 et 1; Alors ∆(E) = 16 t2 (1-t) 2. 3) cubique d'équation de Weierstrass :E1 : y2= x3 + ax – b∈K[x, y],
Alors ∆(E) = - 16 (4a3 + 27b2).
DEFINITION 2:
L'invariant modulaire du courbe elliptique E est L'élément du corps K, carac(K) ≠2,3, égal à
j(E) =
( )
( )
EE
c
∆ 3 4Dans les 3 exemples précédents, l'invariant modulaire est égal à
1- j(E1) = 1728 c43/ (c43 – c62 ) ;
2- j(E2) = 28(t2- t + 1)3/(t2- t)2;
3- j(E3) = 1728(4a)3/∆(E) = - 1728 ×4a3 /(4a3 + 27b2).
DEFINITION 3:
L'invariant différentiel d'une courbe elliptique E d'équation de Weierstrass E: y2 + a1 x y + a3 y = x3+ a2x2 + a4 x + a6 ∈K[x, y]
Est l'élément différentiel:
( )
y dy x y dx Ea
a
a
x
a
a
1 3 3 2 2 2 4 1 2 + + − − = + + = ω EXEMPLE:Pour l'équation de Weierstrass E: y2= x3+ ax+ b, l'invariant différentiel est égal à:
a
x
dy y dx E 1 2 3 2 ) ( − − = = ω DEFINITION 4:Est le produit:
∏
= p
E
N( ) fv v= valuations inéquivalentes de corps K; p= diviseur premier de ∆(E).
fv = 0 lorsque E a une bonne réduction en v ;
fv = 1 lorsque E a une réduction multiplicative en v ; fv = 2+ t lorsque E une réduction additive en v;
t= 0 pour p≥5; 0≤ t ≤ 3 pour p= 3 et 0≤ t ≤ 6 pour p= 2.
La théorie des réductions d'une courbe elliptique sera exposée dans la suite.
PROPOSITION 1
Le conducteur N(E) ne contient que certains facteurs de ∆(E).
Preuve.
Elle découle de la définition
Une conjecture de Weil prédit qu'il n'y a pas de courbe elliptique E/∞ de conducteur N(E/∞)
< 11.
3-DISCRIMINANTS
Le discriminant constitue un invariant des polynômes f(x)∈K[x], des courbes elliptiques, des corps de nombres algébriques.
Soit un polynôme f(x) de degré n factorise sous la forme
f(x) = d0 (x-λ1) (x-λ2)…(x-λn)
= d0xn + d1xn-1+ …+ dn. ………..(1)
DEFINITION 5:
Le discriminant du polynôme (1) est égal à.
Dis (f) = d02n-2
∏ −
(
)
≤j i j iλ
λ
2 EXEMPLES 1) f(x) = ax3 + bx2 + cx + d;Alors son discriminant est égal à:
dis(f) = 18abcd + b2c2 – 4ac3 – 4b3d – 27a2d2;
Alors son discriminant est égal à:
dis (f) = b2 – 4ac
3) f(x)= x3 + Ax + B
Alors son discriminant est égal à:
dis (f) = -16(4 A3 + 27 B2)
Ces exemples permettent de comparer les discriminants ∆(E) d'une courbe elliptique d'équation de Weierstrass:
E: y2 = f(x) ∈K[x]; Et dis(f) du polynôme f(x).
PROPOSITION 2:
Soit une courbe elliptique E d'équation de Weierstrass: E: y2 = f(x) ∈K[x, y],
1) lorsque f(x) = 4x3 + b2 x2 + 2b4 x + b6 ∈K[x, y], alors les discriminants ∆(E) de E et dis(f) de f(x) satisfont la relation:
dis (f) = 16∆(E); 2) lorsque f(x) = x3 + ax + b, alors
∆(E)= 16 dis(f)
Preuve :
Les discriminants ∆(E) et dis(f) sont calculés avec des formules établies précédemment.
La comparaison des résultats implique la proposition.
Il en résulte que le quotient ∆(E)/dis(f) = c est une constante qui dépend de f(x) La définition 5 du discriminant dis(f) implique la:
PROPOSITION 3:
Soit un polynôme f(x) ∈K[x] de degré n. alors son discriminant dis(f) est nul si et seulement si f(x) admet 2 racines égales λi = λj , i≠ j.
Les résultats seront énoncés sans démonstration. Il se trouvent dans plusieurs ouvrages d'algèbre dont " Algébra "de Lang et " Introduction à l'Algèbre " de Kostrikine.
DEFINITION 5:
Soit 2 polynômes f(x) et g(x)
f(x) = d0xn+ d1xn-1+ …+ dn , de degré n >0, et g(x) = r0xt+ r1xt-1+ …+ rt , de degré t> 0
Alors le résultant de ces 2 polynômes est le déterminant d'ordre n+ t
Res (f,g) =
r
r
r
r
r
r
r
r
r
d
d
d
d
d
d
d
d
d
t
t
t
n
n
n
.
.
1
0
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
.
.
.
.
.
.
1
0
.
.
1
0
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
0
.
.
.
.
.
.
1
0
Dans ce déterminant, la diagonale principale est formée de t coefficients d0 et n
coefficients rt.
Les termes manquants sont complétés par des zéros.
La théorie des déterminants de l'algèbre multilinéaire implique que ce déterminant est une fonction de ses vecteurs lignes
Res (f, g) = det (L1,…,Lt,L'1, …,L'n)
PROPOSITION 4:
Soit les polynômes f(x) et g(x) ci-dessus et leur résultant Res(f, g) Alors:
1) Res(f, g) contient le produit d0trtn .
2) Res(af, g) = at Res(f, g) et Res(f, bg) = bn Res(f, g); a,b∈K
Le résultant res(f, g) est fonction symétrique de leurs racines.
PROPOSITION 5:
t lignes
Soit 2 polynômes f(x) et g(x) dans un anneau K[x] f(x) =
∏
(
)
≤ ≤i n − x d i 1 λ 0 de degré n> 0 et g(x) =∏
(
)
≤ ≤i n − x ir
1 β 0 de degré t> 0 Alors leurs résultant est égal à :1) Res(f, g) =
∏ ∏
(
)
≤ ≤i n ≤ ≤ − 1 1 j t r dt0 0n λi β j 2) Res (f, g) =∏
( )
≤ ≤i n g dt i 1 λ 0 =( )
∏
( )
≤ ≤ − t j f r i nt n 1 1 0 β =∏
(
−)
j i r dt0 0n i j , β λ COROLLAIRELe résultant Res(f, g) de 2 polynômes est nul si et seulement si les 2 polynômes ont une racine commune
Examinons le cas particulier d'un polynôme f(x) et son dérivé.
PROPOSITION 6: Soit un polynôme f(x) =
∏
(
)
≤ ≤ − n i x d i 1 λ 0 de degré n> 0 Alors le résultant de f(x) et de son dérivée f'(x) est égal àRes(f, f') =
∏
( )
≤ ≤ − n i f d n i 1 ' 1 λ 0Ce résultant est lie au discriminant dis(f) par les formules:
dis(f)=
∏
(
)
≠j − i d2n0 -2 λi λ j 2 et Res (f, f')= d0dis(f) EXEMPLE:Courbe elliptique E d'équation de Weierstrass: E: y2 = (x+ 3) (x-1) (x+ 4) = f(x) ∈R[x]
Le polynôme f(x) admet 3 racines réelles λ1=-3, λ2=1, λ3= -4;
Sa dérivée est égale à:
f'(x)= 3x2+ 12x + 5.
Res (f, f')=
∏
( )
≤ ≤ − n i f d n i 1 ' 1 λ 0 =20(-4)(5) = - 400La formule Res (f, f') = d0 dis(f) et les résultats ci-dessus
Impliquent la valeur
dis(f) = Res (f, f') = - 400;
5-CUBIQUES IRREDUCTIBLES SINGULIERES
Considérons une cubique irréductible E d'équation de Weierstrass
E: y2 + a1 x y + a3 y = x3+ a2x2 + a4 x + a6 ∈K[x, y]……… (1)
Le point à l'infini de la cubique est le point OE= (∞, ∞) ………..(2) Dans le plan projectif P2 (R), ce point a pour coordonnées.
OE= (0, 1, 0)= (x, y, z) ;………..(2-1)
C'est un représentant de la classe: cl{(0, 1, 0) = {(0, t, 0), t∈R*} …….(2-2) Donc le point à l'infini est déterminé par la direction de l'axe Oy.
PROPOSITION 6
Soit une cubique plane irréductible E d'équation (1) de discriminant ∆(E) et le point à l'infini OE.
Alors :
1) le point à l'infini est un point non singulier de E. 2) la cubique E est singulière si seulement si ∆(E)= 0.
Preuve de " OE= (∞,∞) est un point simple de la cubique"
Prenons, dans le plan projectif P2(R) le point à l'infini OE= (0, 1, 0)
et l'équation projective de E.
F(X, Y, Z)= Y2Z + a1 XYZ + a3 YZ2 -X3+ a2X2Z - a4 XZ2 -a6Z3∈P2(R);……..(1).
La valeur F (0, 1, 0) =0 implique que le produit à l'infini OE est sur la courbe E. (2)
Considérons les 3 dérivées partielles de la fonction F (X, Y, Z); Alors FZ' (0, 1, 0) = 1 ≠ 0 ;………..(3)
Il en résulte que le point OE n'est pas singulier sur la cubique E………(4)
Soit une cubique E d'équation de Weierstrass :
E: y2 = f(x) ……...(1)
L'hypothèse "E singulier" implique que le polynôme f(x) admet une racine double λ1 =λ2;……….…(2)
Par définition du discriminant de f, (2) implique dis (f) = 0;……….(3)
La relation entre discriminant ∆ (E) de E et dis(f) de f et (3) implique la valeur : "∆ (E)=0;………...(4)
Nous ne ferons pas la preuve de la réciproque "∆ (E)=0" implique la cubique E est singulière"
La nature du point singulier est déterminée par l'invariant c4(E) = b22 – 24 b4
Il y a 2 types de points singuliers sur une cubique un nœud, point de E où la cubique admet 2 tangentes distinctes,
Un point de rebroussement, point de E où la cubique admet 2 tangentes confondues.
PROPOSITION 7:
Soit une cubique E, irréductible et singulière et son invariant c4 1) la cubique admet un nœud si et seulement si ∆ (E) = 0 et c4≠0.
Figure d'une cubique avec un nœud S Figure d'une cubique avec un point de rebroussement S
2) La cubique admet un point de rebroussement si et seulement si c4 = 0 et ∆ (E)= 0
Preuve de " la cubique E admet un nœud " implique " ∆ (E)= 0et c4≠0"
L'hypothèse "E admet u nœud " implique que la cubique est singulière par la proposition 6, ∆ (E) = 0 ……. (1)
Prenons une cubique E d'équation de Weierstrass. E: y2 = x3 – 27 c4x – 54 c6,…… (2)
L'hypothèse "E admet un nœud " implique que la cubique E admet 2 tangentes distinctes en ce nœud …… (3)
Les pentes de ces tangentes sont égales à la dérivée y', calculée avec (2) ) ( 2 3 2 27 3 ' 4 2 x N y y c x y= − = …….. (4)
Le polynôme N(x)= x2 – 9c4 a pour discriminant dis (N(x)) = 36 c4;………(5) L'hypothèse de 2 tangentes implique.
dis (N(x)) = 36c4 ≠ 0, soit c4≠0;…….(6)
Preuve de " la cubique admet un point de rebroussement " implique "c4 = 0"
Par hypothèse, la cubique E est singulière; donc son discriminant est nul ∆ (E)=0……… (1)
Gardons l'équation de Weierstrass:
E: y2 = x3 – 27 c4x – 54 c6………(2) Et la dérivée ) ( 2 3 ' N x y y= , N(x)= x2 – 9c4 ; ………..(3)
La cubique E admet 2 tangentes confondues au point de rebroussement;…(4) Cela implique un discriminant nul:
dis (N(x)) = 36c4 = 0, soit c4 = 0;…….(5)
Nous ne ferons pas les preuves des réciproques.
6-COURBES ELLIPTIQUES
D'après la proposition 6.
Il y a 2 cas possibles : ∆ (E)>0 ou ∆ (E)< 0.
PROPOSITION 8:
Soit une courbe elliptique de discriminant (x-e1) (x-e2) (x-e3) 1) elle coupe l'axe Ox en 3 points simple si et seulement si ∆ (E)>0; 2) elle coupe l'axe Ox en 1 seul point, simple, si et seulement si ∆ (E)< 0.
Preuve de " E coupe Ox en 3 points simple." Implique "∆ (E)> 0." Prenons une équation de Weierstrass:
E: y2 = f(x) ∈R[x, y]……… (1)
Considérons les 3 points d'intersection de E par l'axe Ox.
Pi= (ei, 0) avec ei ≠ ej;……(2) Il en résulte la forme du polynôme
f(x) = (x-e1) (x-e2) (x-e3)∈ R[x, y]…..(3)
Par définition, le discriminant de f est égal à:
dis (f) =(e1-e2)2 (e2-e3)2 (e1-e3)2……(4)
Dans le corps R des nombres réels, les 3 facteurs dans (4) sont réels, leurs carrés sont positifs.
dis(f) > 0……….(5)
La relation entre discriminant ∆(E) de E et dis (f) de f Implique le signe : ∆(E) > 0………….(6)
Preuve de " E coupe Ox en 1 seul point simple" implique " ∆(E)< 0" Soit une courbe elliptique E d'équation de Weierstrass:
E: y2 = f(x) ∈R[x, y] ;………..(1).
Les courbes elliptiques sont des cubiques non singulières…… (2) Donc le polynôme f(x) admet 3 racines simples.
f(x) = (x-e1) (x-e2) (x-e3)∈ R[x, y]…..(3)
L'hypothèse d'un seul point d'intersection implique une racine réelle ei .et les 2 autres
complexes conjuguées:
ei∈R, e2 = s + it∈C et e3= s – it ∈C………..(4)
Calculons dis(f(x)) avec la déinition
Nous obtenons la valeur.
dis (f) = - 4 t2 ((e1- s) 2+ t2)) 2<0 ;…….(6)
La relation entre les discriminant ∆ (E) et dis(f) implique le signe. ∆ (E)< 0 …………. (7).
Nous ne ferons pas les preuves des réciproques.
7- CLASSIFICATION DES CUBIQUES IRREDUCTIBLES E AVEC ∆(E) ET C4(E). Les 3 propositions 6, 7, 8 ont fait apparaître 4 types de cubiques irréductibles. Rassemblons ces résultats dans la:
PROPOSITION 9:
Les cubiques irréductibles E sont classifiées par ∆ (E) et c4(E) en 4 classes: 1. classe clI des cubiques ayant un nœud, alors ∆ (E)= 0 et c4(E)≠0.
2. classe clII des cubiques ayant un point de rebroussement, alors ∆ (E)= 0 et c4(E)= 0. 3. classe clIII des courbes elliptiques coupant l'axe Ox en 3 points simples, alors ∆ (E)>
0.
4. classe clIV des courbes elliptiques coupant l'axe Ox en 1 seul point, simple, alors ∆ (E)< 0.
EXEMPLE 1: cubique E1 qui admet un nœud.
Soit la cubique E1 d'équation de Weierstrass
E1: y2 = x3 – 2x2 + x ∈ R[x, y] b2 = a12+ 4a2 = 0+ 4. (2)= -8 b4 = a1a3+ 2a4 = 2 b6 = a32 + 4a6 = 0 c4= b22-24b4= 64-48= 16 b8= b2b6-b42/4= 0 ∆(E) = 9 b2b4b6 – 27b62 -8b43-b22b8. = 0 et c4 = 16≠0,
Cela implique que La cubique E1admet un nœud.
Pour tracer la courbe, calculons les coordonnées de quelques points
x - 1 0 1 2 3 1/2 3/4 1/4
y2 -4 pas de y réelles 0 0 2 12 1/8 3/64 9/64
Ce tableau indique que la courbe n'a pas de points dans le demi-plan x< 0. Le point (1, 0) est le nœud de la cubique.
EXEMPLE 2: cubique E2 qui admet un point de rebroussement
Soit la cubique E2 d'équation de Weierstrass:
E2 : y2+2xy – 2y = x3 - x2 +2x – 1 ∈R[x, y]
Calcul des invariants
b2 = a12+ 4a2 = 4-4= 0
b4 = a1a3+ 2a4 = -4+ 4= 0
b6 = a32 + 4a6 = 4-4= 0 c4= b22-24b4= 0 b8 = (b2b6-b42)/4= 0
∆(E) = 9 b2b4b6 – 27b62 -8b43-b22b8.= 0 et c4 = 0 Cela implique que la cubique
E2 a un point de rebroussement.
Pour tracer la cubique E2, calculons les coordonnées de quelques points.
x 0 -1 1 0.4 3/4
y y1= y2= 1 Pas de y réel ±1 0,6± 0.296
4 23 4
1
±
EXEMPLE 3: courbe elliptique qui coupe l'axe Ox en un point. Soit la cubique E3 d'équation de Weierstrass:
E3 :y2 = x3+4x2 – 2x + 1
Calcul des invariants
∆(E3) = -9904
∆(E) < 0 implique que cette courbe elliptique coupe Ox en un seul point. Tableau de coordonnées de quelques points de E3
x -4 -2 -1 0 1 2
y2 9 13 6 1 4 21
D'après ce tableau la courbe E3 coupe l'axe Oy en 2 points (0, ±1).
Pour trouver le point d'intersection avec Ox, il faut résoudre l'équation:
EXEMPLE 4: courbe elliptique de la classe cl III Soit la courbe elliptique E4 d'équation de Weierstrass:
E4: y2= x3+3x2 -6x-8=0 ∈R[x, y].
Calcul du discriminant: ∆(E4) > 0.
Cela implique que la courbe E4 coupe l'axe Ox en 3 points simples.
Leurs abscisses sont racines de l'équation f(x)= x3+ 3x2 -6x-8= 0 …(1)
Pour trouver les racines entières il faut appliquer le
Théorème : soit l'équation diophantienne f(x) = xn + d1xn-1+ …+ dn ∈♦[x] Toute racine de cette équation sont des diviseurs du terme constant.
Dans l'équation diophantienne (1), le terme constant est égal à -8. Les diviseurs de -8 sont d = ±1, ±2, ±4 et ±8.
Le calcul des valeurs f(d) implique les résultats.
f(-1) = f(2) = f(-4) = 0. Il en résulte les 3 points d'intersection de E4 et l'axe Ox.
C
HAPITREIII:
GROUPE DEM
ORDELL-W
EIL D'
UNE COURBE ELLIPTIQUED'après Lang, dans [12-2], Poincaré a conjecturé que le groupe de points rationnels d'une courbe elliptique est de type fini.
En 1922, Mordell a prouvé cette conjecture dans « Diophantine Equations » Academic Press.
En 1930, dans la publication « sur un théorème de Mordell- bull. Sci. Math 54 (1930) ,182-191 », Weil a étendu ce résultat aux variétés abéliennes.
Nous commençons par la construction d'un groupe abélien sur l'ensemble E (K) des points K-rationnels d'une courbe elliptique E/K.
1- STRUCTURE DE GROUPE ABELIEN SUR L'ENSEMBLE E (K)
Soit une courbe elliptique et l'ensemble E (K).
E (K) = {P= (x, y), E: y2 + a1 x y + a3 y = x3+ a2x2 + a4 x + a6 ∈K[x, y]}… (1)
PROPOSITION1:
L'homomorphisme u: E(K)×E(K) → E (K) (P, R)→ P+R
Est une loi de groupe abélien d'élément neutre le point à l'infini OE, avec la règle géométrique de 3 points colinéaires de la courbe elliptique.
P1+ P2+ P3= OE, Pi= (xi, yi)
Vérifions les axiomes d'un groupe abélien.
Axiome de l'élément neutre :
Pour tout point P∈E(K), P+OE est sur E et sur la parallèle à Oy passant par le point P. le point OE est déterminé par la direction de l'axe Oy.
Donc P + OE = OE + P = P Axiome de symétrique d'un point P∈E (K)
Soit un point P∈E(K), la parallèle à l'axe Oy passant par P recoupe la courbe E en un point P'
La règle des 3 points colinéaires de E implique la relation
P+ P'+ OE= OE ………. (2)
D'après la proposition 6- chap 2, le point à l'infini est sur la courbe E. (2) implique le symétrique de P.
P'= -P ……… (3) Axiome de commutativité.
La sécante P1P2 coïncide avec la sécante P2P1……..… (4)
Cela implique (P1+P2) +P3 = (P2+P1) +P3……….. (5)
Axiome d'associativité:
Soit 3 points non colinéaires P, R et S sur E (K)
Je n'ai pas trouvé de propriété géométrique des sécantes d'une courbe pour prouver l'égalité d'associativité.
C'est par le calcul des coordonnées des points (P+R)=M, M+S=M', R+S=T, P+(R+S) =T' Que l'on arrive à obtenir l'égalité d'associativité. (P+R)+S = P+(R+S)
L'image de l'élément neutre (OE, OE) est égale à
u(OE, OE)= OE+ OE= OE
L'image de la somme (P1, R1) + (P2, R2) est égale à u ((P1, R1) + (P2, R2)) = (P1 + P2 ,R1+ R2)
= (P1, R1) + (P2, R2) = u (P1, R1) + u (P2, R2)
2- COORDONNEES DU SYMETRIQUE –P D'UN POINT P ET DE LA SOMMEP1+P2
Soit une courbe elliptique E d'équation de Weierstrass
E: y2 + a1 x y + a3 y = x3+ a2x2 + a4 x + a6 ∈K[x, y]…… (1)
Soit un point P (xp, yp) sur la courbe E ………..(2)
Par la proposition 1, le symétrique –P de P est à l'intersection de la courbe E par la parallèle à l'axe Oy passant par P.
Avec les calculs nous obtenons les coordonnées du symétrique –P
-P = (x-p, y-p)= (xp, -yp-a1xp - a3)……… (3)
Soient 2 points Pi = (xi , yi) sur E, P1≠±P2...(4)
La relation P1+ P2+ P3= OE implique
P1+ P2= -P3 ………(6) Avec l'équation de la sécante P1P2 et les formules du symétrique –P
Nous obtenons les coordonnées de la somme P1+ P2
P1+ P2= M= (xM, yM), x x y y t 2 1 2 1 − − = xM = t2 + a1t -a2 -x1 -x2 yM = -t3-2a1t2+ (a2-a12+ 2x1+ x2)t+ a1a2-a3+ a1(x1+ x2)-y1………..(7)
Rassemblons ces résultats dans la
PROPOSITION 2
Soit une courbe elliptique E d'équation de Weierstrass. E: y2 + a1 x y + a3 y = x3+ a2x2 + a4 x + a6∈K[x, y]
1) Les coordonnées du symétrique –P d'un point P de E sont égales à : -P = (x-p, y-p)= (xp, -yp-a1xp - a3)
2) Les coordonnées de la somme P1+ P2 de 2 points sont égales à :
Pi = (xi , yi), P1 ≠±P2, P1+ P2= M= (xM, yM)
x x y y t 2 1 2 1 − − = xM = t2 + a1t -a2 -x1 -x2
yM = -t3-2a1t2+ (a2-a12+ 2x1+ x2)t+ a1a2-a3+ a1(x1+ x2)-y1
3- POINTS DE E D'ORDRE FINI.
Dans un groupe abélien E (K) il y a des points d'ordre fini, éventuellement des points d'ordre infini, des sous groupes cycliques, des sous groupes abéliens.
DEFINITION 1
Un point P du groupe E(K) est d'ordre fini m lorsqu'il satisfait la relation mP = OE.
Pour tout entier m fini, les points P d'ordre m forment un sous groupe E(K)[m].
DEFINITION 2
Le sous groupe de m-torsion du groupe E (K) est l'ensemble E (K)[m] des points d'ordre m.
La réunion des sous groupes de m- torsion est le groupe de torsion T(E (K)) du groupe E (K)
DEFINITION 3
Le groupe de torsion d'une courbe elliptique E est l'ensemble T(E (K)) = T(E) = {P∈E (K); mP=OE, m∈♦}
C'est aussi la réunion des sous groupe de m-torsion
( )
U
( )
[ ]
z
m m K E E T ∈ =Etablissons les coordonnées du point 2P.
La tangente à la courbe elliptique E en un point P coupe la courbe en un point M, le symétrique –M de ce point M est le point –M =2P.
Cette construction géométrique permet de calculer les coordonnées du point 2P.
PROPOSITION 3
Soit une courbe elliptique E /K d'équation de Weierstrass. E: y2 + a1 x y + a3 y = x3+ a2x2 + a4 x + a6 ∈K[x, y]
Les coordonnées du point 2P pour tout point P de E sont égales à.
P= (xP , yP) ; 2P= (x2P,y2P) ;
(
)
(
y a x a)
y a a x a x y 3 1 1 4 2 2 2 2 3 ' + + − + + = x2P = y'2P + a1 y'P-2xP - a2y2P= -y' 3P -2a1 y'2P (a2-a12+ 3xP) y'P+ a1a2 -a3+ 2a1xP -yP
0 2 4 6 --2 0 2 4 6 x y P1 P2 P3 -P3=P1+P2 0 2 4 6 --2 0 2 4 6 x y P M -M=2P -P
Les 2 propositions impliquent que les points P1+ P2 et 2P ont des coordonnées fractions rationnelle du corps K[x, y].
En particulier Ψ = = 3 2 2 p 2 p , ω y Ψ Φ x 2 2 2 2
Les polynômes numérateur et dénominateur ont des degrés croissants avec m. Pour obtenu des formules maniables, il faut diminuer le nombre de coefficients ai de
l'équation de Weierstrass.
C'est Cassels dans [2] qui à trouvé des formules intéressantes pour les points mP sur les courbes elliptiques E d'équation de Weierstrass
E: y2 = x3 + Ax+ B ∈Q[x, y] avec 4A3+ 27B2≠ 0 ……. (1)
PROPOSITION 4
Soit une courbe elliptique d'équation (1). Alors les coordonnées du point 2P sont égales à : 2P= Ψ3 2 2 , ω Ψ Φ 2 2 2 , avec Ψ2 = 2y, Φ2 = x4 - 2Ax2 - 8Bx + A2; Et ω2= x6 – 5Ax4 + 20Bx3 – 5A2x2 – 4 ABx – A3 – 8B2. Preuve
Nous utilisons les formules de la proposition 3.
PROPOSITION 5
Soit une courbe elliptique E d'équation de Weierstrass:
E: y2 = x3 + Ax+ B ∈∞[x, y] avec 4A3+ 27B2≠ 0
Alors pour tout entier m≥2, les coordonnées du point mP du groupe E (Q) sont de la forme: mP = Ψ3 , m m Ψ m Φ m 2 ω
Ψm , Φm et ωm sont des polynômes de l'anneau ♦[x, y, A, B] qui satisfont les relations.
Ψ-1 = -1 ; Ψ0 = 0, Ψ1 = 1, Ψ2 = 2y, Ψ3 = 3x4+ 6Ax2 + 12Bx - A2 Ψ4 = 4y(x6 + 5Ax4 + 20 Bx3 – 5A2x2-4ABx – A3 – 8B2
Ψ2m= 2Ψm(Ψm+ 2Ψm-1 -Ψ 2m-2Ψ2 m+ 1)
Ψ2m+ 1=Ψm+ 2Ψ3m -Ψm-1Ψ3m+ 1 Les polynômes Φm et ωm satisfont
Φ m = xΨ2m-Ψm-1Ψm+ 1
4y ωm=Ψm+ 2Ψm-1 -Ψm-2Ψ2m+ 1
Ainsi Φm est un polynôme en x, A, B de degré m2 Preuve
Pour m=-1, -(x, y)=(x, -y); alors x=
( )
−1 2 x et y=( )
−1 3 y Il en résulte Ψ-1 = -1.Pour m=0, 0(x, y)=(∞, ∞) ; alors ∞= 02 x et ∞ = 03 y Il en résulte Ψ0 = 0.
Pour m=1, 1(x, y)=(x, y) ; alors x= 12 x et y = 13 y Il en résulte Ψ1 = 1.
Pour m = 2 les formules des coordonnées du point 2P Impliquent Ψ2 = 2.
Pour m>2, on utilise une récurrence sur l'entier m.
« Lorsque K=C, ce sont les formules familières qui découlent de la théorie de la fonction P (z, L) de Weierstrass », d'après Fricke ( Elliptisckey Funktionen –Leipzig (1922a)/ et weber (Lehrbuch der algebra- braunschrverg (1908a)/
Avec le calcul nous avons obtenu le polynômeΦ3 qui est unitaire de degré 9
Et le polynôme ω3 qui est de degré 12.
Les points P du groupe E (K), d'ordre m ont des applications:
L'application de Kummer et la suite de Kummer d'une courbe elliptique.
DEFINITION 4
L'application du Kummer d'une courbe elliptique E est la fonction λE:E(K)× Gal(Kgal/K)→E(K)[m]
De valeurλE(P,σ)= σ(R) – R , avec mR=P
Cette application est bilinéaire.
Soit une courbe elliptique E, son groupe de mordell-weil E (Kalg) son sous groupe de m-torsion E (K) [m].
Alors la suite de groupes abéliens.
0 → E (K) [m] → E (Kalg) → E (Kalg) → 0
Où tm est la multiplication par m et Kalg une clôture algébrique de K, Est une suite de Gal (Kgal/K)- modules, exacte et courte
Gal (Kgal/K) désigne le groupe de Galois.
Avec les groupes H1 de cohomologie, nous obtenons la suite de Kummer.
DEFINITION 5
La suite de Kummer d'une courbe elliptique E est la suite de groupes abéliens .
0 → E (K)/m E (K) → H1(G, E(K)[m]) → H1 (G, E(Kalg)[m]) → 0 Où G est le groupe de Galois de l'extension Kalg du corps K
4- FINITUDE DU GROUPE QUOTIENT E (K)/m E(K)
Ce groupe figure dans la suite de Kummer ci dessus
PROPOSITION 7
Le groupe quotient E (K)/m E (K) d'une courbe elliptique E est fini Pour les entier m ≥ 2.
Preuve.
Soit l'application bilinéaire de Kummer
λE:E(K)× Gal(Kgal/K)→E(K)[m]
de valeurλE(P,σ)= σ(R) – R , avec mR=P
Cette application possède un noyau à gauche égal au groupe m E (K), et un noyau à droite égal à un groupe de Galois d'une extension Kalg/L, avec L= K (m-1E (K)), sont GL ce groupe
de Galois.
L'application λE induit une application bilinéaire.
λE:E(K)/mE(K)×GL → E(K)[m]
Cette application est bijective.
La finitude du groupe de m-torsion de E implique la finitude du groupe quotient E (K)/mE(K) pour m≥2.
5- HAUTEURS SUR UNE COURBE ELLIPTIQUE.
Pour monter que le groupe de Mordell-Weil E(K) d'une courbe elliptique E est fini, on utilise des fonction spéciales et l'algorithme de descente infinie.
DEFINITION 6:
Une hauteur sur un groupe abélien A est une fonction réelle h: A→ ♣
Qui satisfait les 3 axiomes :
(haut1) à tout point P1 de A on peut associer une constante C1 (A, P1)= C1 Telle que h (P+ P1)≤ 2h (P) +C1,
Pour tout point P de A.
(haut2) il y a un entier m≥2 et une constante C2(A,m)= C2 telle que h(mP) ≥m2
h(P)-C2, Pour tout point P de A
(haut3) pour toute constante C3, l'ensemble des points P de hauteur bornée est fini {P∈A; h (P) ≤ C3}
Le groupe abélien A peut être un espace projectif, le groupe E (K) de Mordell-Weil d'une courbe elliptique.
L'image h (P) peut prendre plusieurs valeurs; il en résulte qu'il y a plusieurs fonctions hauteurs.
PROPOSITION 8:
Soit un groupe abélien A et un entier m ≥ 2 tel que le groupe quotient A/mA soit fini. Alors le groupe A est de type fini
Preuve
Considérons un système de représentants des classes A/Ma.
T1, T2, T3,…., Tr……….……(1)
Construisons une suite infinie de points Pi de A avec l'algorithme
De descente infinie.
P=mP1+T1; Pi,1= mP2+Ti,2;…, Pn-1= mPn+Ti,n ……….…..(2)
Où les points Ti,j sont pris parmi les représentants de l'ensemble (1).
Introduisons une hauteur h sur le groupe A :
h: A→ ♣ ……….….…(3) Dans la suite (2), prenons une combinaison.
mPk = Pk-1 –Tk,i ………..…..(4)
Nous obtenons l'inégalité :
m2 h ( Pk)-C2≤ 2 h (Pk-1) +C1 ………..(5)
il en résulte l'inégalité .
m2 h ( Pk) ≤ 2 h (Pk-1) +C' ; C'=C1+C2…….………...(6)
En faisant la somme des inégalités (6) pour k=1, 2, 3, …, n Nous obtenons l'inégalité
h(Pn) ≤
m
22 h(P) + (m-2
+ m-4 +…+m-2n)C4 , C4= c(C1,C2) ………..(7)
Pour m ≥ 2, (7) implique l'inégalité: h(Pn) ≤ u(n) h(P) +
m
2 1 (1-m-2 )-1 avec lim )=0 ∞ → u(n n …………...….(8)Donc à la limite h (Pn) est borné par une certaine constante B
h (Pn)≤ B ………. (9)
L'axiome (haut3) implique l'ensemble de ces points Pn est fini; ………….. (10)
Les relations (1) et (10) impliquent que le groupe A est engendré par les poins Ti et Pj……….(11)
Il en résulte que tout point P du groupe A est une ♦- combinaison linéaire. P = c1T1 + …..+crTr+ d1P1+……+dsPs; ……….……(12)
Donc le groupe abélien est de type fini.
Appliquons cette proposition au groupe de Mordell-Weil
PROPOSITION 9:
Le groupe de Mordell-Weil E (K) d'une courbe elliptique E/K Est de type fini.
C'est le théorème de Mordell-Weil d'une courbe elliptique.
La proposition 8 est le théorème de descente des courbes elliptiques.
La structure du groupe de Mordell-Weil E (K) d'une courbe elliptique est semblable à celle du groupe U(L) des unités d'un corps de nombre algébrique L.
Soit un corps de nombres algébriques L, de degré n = s + 2t, qui a s conjugués réels σ (L) et 2t conjugués complexes τ(L) = τ(L). Alors, les unités du corps L forment un groupe abélien U (L) multiplicatif de type fini .
U (L) π D(L) × ♦ r
Où D(L) est le groupe des racines de 1 contenues dans L? r = s+ t- 1 et ♦ r= r copie du groupe ♦
.
DEFINITION 7 :
L'entier r = s + t – 1 est le rang du groupe des unités de L.
DEFINITION 8 :
1) une unités d'un corps de nombres algébriques L est un entier u de L de norme NL/Q = ± 1.
2) Un système complet d'unités indépendantes du groupe U(L) est un système d'unités
u1,…,un tels que la relation 2.... 1
2
11
u
u
=u
e e enn implique e1,…,en= 0.
3) Un système d'unités fondamentales de L est un système de r unités u1,…, ur qui engendrent le groupe des unités, alors toute unité u de L est de la forme
u =
u
u
u
r r α α α 2.... 2 11 , α1,…,αr dans ♦Il n'y a pas d'unités dans la courbe elliptique E, il y en a dans le corps de base K de E (K).
PROPOSITION 10 :
Le groupe de Mordell-Weil E (K) d'une courbe elliptique E Est isomorphe au produit direct de groupes.
E (K) π T(E) × ♦ r , Où T(E) = groupe de torsion de E, r = entier ≥ 0
♦r = r copies du groupe abélien ♦
Le groupe T(E) est fini, le groupe ♦r est infini, le groupe quotient E (K)/T(E) est donc la partie infinie de la courbe elliptique E.
L'entier r = r(E) est le rang de la courbe elliptique E, c'est le nombre de points de E (K) qui sont indépendants et qui engendrent la partie infinie de E.
Ces points ont une hauteur minimale Citons quelques hauteurs, [17-1]
DEFINITION 10:
1- la hauteur logarithmique hauteur de Weil sur E est la fonction
hx : E (∞) →
♣
; P= (x, y) → hx(P)de valeur hx (P) = log (max p,q) si P≠OE , x= p/q ∈Q et hx(OE)= 0 2- la hauteur canonique de Néron-Tate est la fonction
ĥ : E(Kalg) →♣ de valeur ĥ(P) = − ∞ → P N f N N degf 1
2
h
4
lim
Où f ∈E (K) est une fonction paire non constante, hf(P)= h(fP), h= hauteur logarithmique.
Cette hauteur canonique ĥ possède plusieurs propriétés qui sont énoncées dans le
THEOREME (Néron-Tate)
Soit une courbe elliptique E/K et la hauteur canonique ĥ sur E 1) Pour tout points Pet R de E (K), la hauteur ĥ satisfait
la loi de parallélogramme.
ĥ (P+ R) + ĥ(P-R)= 2 ĥ(P)+ 2 ĥ(R) 2) Pour point P ∈E (Kalg) et tout entier m∈♦,
ĥ (mP)= m2 ĥ(P).
3) ĥ (P)= 0 si et seulement si P est un point de torsion
Et ĥ (P)> 0 sinon;
4) ĥ est une forme quadratique sur E(Kalg) :
la fonction 〈 , 〉 : E(Kalg) × E(Ka lg)→
♣
est bilinéaire :〈 P, R 〉 = ĥ (P+ R) + ĥ(P-R) - ĥ(P) - ĥ(R)
Cette forme quadratique 〈 , 〉 sur E permet d'introduire un invariant de la courbe elliptique E : le régulateur
Le régulateur d'une courbe elliptique E/K est égal au déterminant R(E, K) = det (〈 Pi, Pj 〉 ) , 1≤ i, j≤ r
Où r = r(E) = rang de E, P1,…...Pr = système générateur des points indépendants qui engendrent E/T(E).
〈 , 〉 = forme quadratique bilinéaire de Néron-Tate.
6- VALUATIONS D'UN CORPS ET REDUCTION D'UNE COURBE ELLIPTIQUE
La théorie des valuations d'un corps est traitée dans les ouvrages de théorie des nombres comme [20].
DEFINITION 12 :
Une valuation d'un corps K est une fonction à valeurs réelles :
V : K→
♣
Qui satisfait les 3 axiomes :(Val1) V(x) ≥ 0 pour tout élément x de K et V (x) = 0
Si et seulement si x= 0
(Val2) V (xy) = V(x) V(y) pour tout éléments x et y de K
(Val3) V(x)≤ 1 implique V (1+ x) ≤ c pour une constante c ≥ 1.
L'axiome (Val2) implique que la valuation V est un homomorphisme du groupe multiplicatif
K* dans le groupe
♣
+.L'axiome (Val3) peut être remplace par l'inégalité triangulaire
V (x+ y) ≤ V(x) +V(y)
La valuation V est archimédienne lorsque c = 2 dans (Val3); elle est non archimédienne
lorsque c = 1.
Exemples de valuations de corps
1. la valeur absolue usuelle sur le corps ♣
V(x) = x= max {x, -x}. Elle est archimédienne.
2. la valuation p-adique sur le corps Q.
Pour tout nombre premier p, Vp(p) = 1/p et Vp(q) = 1 pour tout nombre premier q ≠p .
Elle non archimédienne
Elle prend les 2 valeurs : V(0) = 0 et V(x) = 1 pour tout élément x du corps K*. C'est avec les valuations du corps de base K d'une courbe elliptique qu'on obtient les réductions d'une courbe elliptique.
DEFINITION 13:
La réduction d'une courbe elliptique E/K modulo une valuation V de K Est l'application :
E (K) →Ẽ (K) P→ P
Où la courbe réduite Ẽ modulo V est obtenue avec L'application K → k, x → V (x).
La courbe réduite Ẽ modulo V possède des invariants réduites
DEFINITION 14:
1) la courbe elliptique E/K a une bonne réduction Ẽ modulo V si la courbe réduite Ẽ/k est non singulière.
2) La courbe elliptique a une mauvaise réduction si la courbe réduite est singulière La réduction est multiplicative si Ẽ a un nœud.
La réduction est additive si Ẽ à un point de rebroussement.
EXEMPLE 1.
Courbe elliptique d'équation de Weierstrass:
E1 : y2 - 4 x y -2 y = x3+ 4x2 + 3 x + 6 ∈ ∞ [x, y]
Calcul du discriminant: ∆ (E1) = - 4 ×13183
Réduisons la courbe E/Q modulo la valuation p-adique V 5
La courbe réduite Ẽ a pour équation:
Ẽ1: y2 + x y + 3 y = 4x2 + 3 x + 1 ∈F5 [x, y].
Calcul du discriminant: ∆( Ẽ1) = 2≠ 0 mod5.
Donc la courbe E a une bonne réduction modulo 5.
EXEMPLE 2
E2 : y2 + 4 x y + 6 y = x3- 4x2 -14 x -9 ∈ Q[x, y]
Calcul du discriminant: ∆( E2) = 2633
Réduisons la courbe modulo 3:
Ẽ2: y2 + x y = x3+ 2x2 + x ∈F3 [x, y].
Calcul du discriminant de la courbe Ẽ2 réduite :
∆( Ẽ2) = 0 mod3
Donc la courbe réduite Ẽ2 est singulière; elle a une mauvaise réduction en p=3.
Calcul de l'invariant c4( Ẽ2 )
c4( Ẽ2 )=0mod3.
C
HAPITREIV:
TORSION DE COURBE ELLIPTIQUEDans le chapitre III, paragraphe 3, nous avons définir les points de groupe de Mordell-Weil E(K) d'ordre fini, les sous groupes de m-torsion E(K)[m] et le groupe de torsion T(E).
Dans ce chapitre nous allons décrire les corps de nombres quadratique, la théorie des isomorphismes, la construction des groupes de torsion T (E) (∞).
1- CORPS DE NOMBRES ALGEBRIQUES QUADRATIQUES.
Un corps quadratique est une extension du corps ∞ des nombres rationnels par un nombre irrationnel quadratique.
K=∞( d ), d ∈♦, sans facteur carré ………….(1)
Tout élément de K est de la forme
x = a+ b d ;………..(2)
Un entier du corps K est un élément qui satisfait une équation
x2+ A x+ B = 0; A, B ∈ ∞………...(3) Les entiers du corps K sont de la forme
e=
(
1+ d)
2 1 lorsque d ≡1 mod 4 Et ……….. (4) e= d lorsque d≡2, 3 mod 4Les entiers de K forment un anneau A(K) qui a une structure de ♦-module:
AK=♦+♦e ………(5)
Le discriminant du corps K est égal au discriminant d'une base d'entiers:
D (K)= d lorsque d ≡1 mod 4
Et ……….. (6) D (K)= 4d lorsque d≡2, 3 mod 4
Les nombres premier p∈Z engendrent des idéaux pAK qui se décomposent dans l'anneau AK
suivant 3 types, p impair
pAK=PP' : p est décomposé, les idéaux P, P' sont premier de norme commune NP=NP '= p
………..………(7-1)
pAK=P 2: p est ramifie; alors il divise le discriminant D(K); l'idéal P est premier de norme
pAK=P : p est inerte; alors l'idéal P est premier de norme NP= p2.
Le nombre premier p=2 engendre un idéal 2AK qui se décompose
2AK = PP ', les idéaux P≠P' sont premier de norme commune
NP=NP '= 2 lorsque D (K) ≡1 mod 8; 2AK = P, l'idéal P est premier lorsque D (K) ≡5 mod 8;
Lorsque 2 divise le discriminant D(K), il st ramifier .
D'après le théorème de dédekind sur le rang du groupe U (K) des unités, il y a 2 cas possible:
a) lorsque K est quadratique réel, s=2, t=0 et r =1, il y a donc une unité fondamentale. Plusieurs auteurs ont déterminé des tables d'unités fondamentales comme Borevich et chafarevich dans " théorie des nombres",Gauthver –Villars- Paris.(1966).
Il y a des logiciels de calcul de ces unités
Dans le groupe U (k) des unités, seuls ±1 est des racines de 1. b) lorsque k imaginaire, s=0, t=2 et r=0,
Le groupe U (k) est réduit aux racines de 1
U (k) = {±1, ±i} pour d = - 4, i4= (-i) 4=1 U (k) = {±1, ±j, ±j2} pour d = -6, j3= (j2) 3=1 Et U (k) = { ±1 } pour les autres d < 0.
2- TORSION DU GROUPE DE MORDELL-WEIL E(K)
a- Kubert a étudie des bornes pour l'ordre du groupe de torsion T(E)(K) d'une extension
finie du corps ∞dans " Universal bounds on the torsion of elliptic curves" –proc. London math. Soc. 33 (1976) 193-237.
Il utilise des n-cycles et des courbes modulaires X0(n), X1(n).
b- Manin a prouvé le résultat :
THEOREME 1:
Soit une courbe elliptique E sur un corps de nombres K et un nombre premier p
Alors il y a une constante N= N (K, p) telle que la composante p- primaire du groupe E (K) à un ordre qui divise pN.
Preuve dans: " the p-torsion of elliptic curves is uniformly boundet ", izv.Akad Nauk. SSSR. 33 (1969) AMS transl, 433-438
Ce théorème implique la
CONJECTURE
Le groupe de torsion T(E) (K) est d'ordre borné par N
c- La structure de groupe de torsion T(E) (∞) de courbes elliptiques E/∞ a été Conjecturée par Ogg.
Mazur a prouvé cette conjecture dans [13-2]
THEOREME 2 (Mazur)
Le groupe de torsion T(E)(∞) d'une courbe elliptique E/ ∞ est un groupe abélien fini isomorphe à l'un des 15 groupes:
♦/m♦ pour 1≤ m ≤ 10 ou m=12 ♦/2♦× ♦/2d♦ 1≤ d ≤ 4
Preuve (d'après Mazur)
La structure du groupe de torsion T(E) (∞) est apparue au cours de la recherche des nombres premiers N telles qu'il existe des courbes elliptiques qui admettent des
N-isogénies ∞-rationnelles.
Alors, la représentation de groupes:
ρN : Gal (Kalg/K)→ GL (2, ♦/n♦)
Est surjective.
Ces points de torsion du groupe T(E)(∞) ont des propriétés déterminées dans " rationals points on modular curves", Lectures Notes in Math. 601.
Supposons que le groupe E(∞) ne possède pas des points d'ordre N=11 et N≥17 Cela implique que la courbe elliptique E a une bonne réduction potentielle en p =3. Par la théorie de Néron sur la spécialisation d'un point, la fibre de Néron du groupe E (F3)
possède un point d'ordre N≤4; ce résultat est en contradiction avec l'hypothèse N>7. Il en résulte le théorème de Mazur
